سایناکو | تولید کننده و وارد کننده باتری و یوپیاس
S-2032 : سلول سوختی چگونه کار می‌کند؟
How does a fuel cell work?
پیل سوختی یک ابزار الکتروشیمیایی است که سوخت هیدروژن را با اکسیژن ترکیب می‌کند تا الکتریسیته، گرما و آب تولید کند. پیل سوختی شبیه باتری است که در آن یک واکنش الکتروشیمیایی تا زمانی که سوخت در دسترس باشد، رخ می‌دهد. هیدروژن در یک ظرف تحت فشار ذخیره می‌شود و اکسیژن از هوا گرفته می‌شود. به دلیل عدم احتراق، هیچ گونه انتشار زیان آوری وجود ندارد و تنها محصول فرعی، آب خالص است. بنابراین آب ساطع شده از پیل سوختی غشای تبادل پروتون (PEMFC) خالص است که بازدیدکنندگان از سیستم‌های قدرت بالا در شهر ونکوور، چای داغ ساخته‌شده از این آب تمیز را سرو می‌کنند.
اساسا سلول سوختی الکترولیز معکوس است و از دو الکترود جدا شده توسط الکترولیت استفاده می‌کند. آند (الکترود منفی) هیدروژن و کاتد (الکترود مثبت) اکسیژن را دریافت می‌کنند. یک کاتالیزور در آند، هیدروژن را به یون‌های هیدروژن و الکترون‌ها با بار مثبت جدا می‌کند.
اکسیژن یونیزه شده و در طول، الکترولیت به سمت محفظه آندی حرکت می‌کند که در آن با هیدروژن ترکیب می‌شود. یک پیل سوختی منفرد تحت بار، ۰.۶- ۰.۸ ولت تولید می‌کند. شکل ۱ مفهوم پیل سوختی را نشان می‌دهد.
شکل ۱- مفهوم پیل سوختی؛ آند (الکترود منفی)هیدروژن و کاتد (الکترود مثبت)اکسیژن را دریافت می‌کند.
فن‌آوری پیل سوختی در تبدیل سوخت کربن به انرژی، دو برابر کارآیی خود را دارد. هیدروژن، ساده‌ترین عنصر شیمیایی (یک پروتون و یک الکترون)، به عنوان سوخت بسیار خالص و فوق‌العاده تمیز است. هیدروژن ۹۰ درصد جهان را تشکیل می‌دهد و سومین عنصر فراوان در سطح زمین است.
این ثروت سرشار از سوخت، مخزن تقریبا نامحدودی از انرژی پاک را با هزینه نسبتا پایین تامین می‌کند. اما یک مشکلی هست.
با بسیاری از سوخت‌ها، هیدروژن به مواد دیگر وصل می‌شود و “رها کردن” گاز انرژی می‌گیرد. از نظر ارزش حرارتی خالص (NCV)، تولید هیدروژن نسبت به بنزین هزینه بیشتری دارد. برخی می‌گویند که هیدروژن تقریبا انرژی خنثی دارد، به این معنی که تولید آن به همان اندازه انرژی لازم دارد که در انتهای مقصد تحویل می‌دهد.
ذخیره‌سازی هیدروژن از معایب بیشتری برخوردار است. هیدروژن تحت فشار به مخازن فولادی سنگین نیاز دارد و NCV به صورت حجمی در حدود ۲۴ برابر کم‌تر از یک محصول نفتی مایع است. در حالت مایع که بسیار چگال‌تر است، هیدروژن برای نگهداری در سرما به عایق گسترده نیاز دارد.
پیشنهاد : انواع باتری؛ از گذشته تاکنون
هیدروژن همچنین می‌تواند با استفاده از استخراج از یک سوخت موجود مانند متانول، پروپان، بوتان و یا گاز طبیعی با یک واکنش تولید شود. تبدیل سوخت‌های فسیلی به هیدروژن خالص، مقداری از باقی مانده کربن را آزاد می‌کند، اما این ۹۰ درصد کم‌تر از چیزی است که از لوله اگزوز خودرو می‌آید. حمل یک اصلاحگر به وسیله نقلیه وزن اضافه می‌کند و هزینه آن را افزایش می‌دهد. اصلاح‌کننده‌ها هم کند هستند.
مزیت خالص تبدیل هیدروژن مورد سوال است زیرا مشکل انرژی را حل نمی‌کند.
آقای ویلیام گروو، قاضی ولزی و دانشمند برجسته، مفهوم پیل سوختی را در سال ۱۸۳۹ توسعه داد، اما این اختراع هرگز از بین نرفت. این امر در طول توسعه موتور احتراق داخلی (ICE) رخ داد که نتایج امیدوار کننده‌ای را نشان داد. تا دهه ۱۹۶۰ بود که پیل سوختی در طول برنامه فضایی Gemini به صورت عملی مورد استفاده قرار گرفت. ناسا این منبع انرژی پاک را به انرژی هسته‌ای یا خورشیدی ارجاع داد. سیستم پیل سوختی قلیایی که انتخاب شد، الکتریسیته و آب آشامیدنی برای فضانوردان تولید کرد.
هزینه‌های بالای مواد، استفاده از پیل سوختی را برای مصارف تجاری منع می‌کند. هسته پیل سوختی (Stack)گران‌قیمت است و طول عمر محدودی دارد. سوزاندن سوخت‌های فسیلی در یک موتور احتراق ساده‌ترین و موثرترین وسیله برای مهار انرژی است، اما آن را آلوده می‌کند.
هزینه بالا، کارل کوردش فقید، مخترع باتری قلیایی، را از تبدیل ماشینش به یک پیل سوختی قلیایی در اوایل دهه ۱۹۷۰ دلسرد نکرد. او مخزن هیدروژن را روی سقف نصب کرد و پیل سوختی و باتری‌های پشتیبان را در صندوق عقب قرار داد.
سلول سوختی قلیایی (AFC)
پیل سوختی قلیایی به عنوان یک تکنولوژی برتر برای هوافضا از جمله شاتل فضایی شناخته شده‌است. هزینه‌های ساخت و بهره‌برداری به ویژه برای این دسته از تجهیزات بسیار پایین است. در حالی که جدا کننده PEM بین ۸۰۰ تا ۱۱۰۰ دلار در هر متر مربع هزینه دارد، همان ماده برای سیستم قلیایی تقریبا قابل اغماض است. (قیمت باتری سرب اسید ۵ دلار به ازای هر متر مربع است.) مدیریت آب ساده است و نیازی به کمپرسور و دیگر لوازم جانبی ندارد؛ بازده در محدوده ۶۰ درصد است.
نکته منفی اینجاست که AFC در اندازه فیزیکی بزرگ‌تر از PEM است و به اکسیژن خالص و هیدروژن به عنوان سوخت نیاز دارد. مقدار کربن دی‌اکسید موجود در یک شهر آلوده می‌تواند این توده را مسموم کند و این امر، AFC را به کاربردهای تخصصی محدود می‌کند.
پیل سوختی اکسید جامد (SOFC)
در صنایع برق از سه نوع پیل سوختی استفاده می‌شود که عبارتند از: کربنات مذاب، اسید فسفریک و پیل سوختی اکسید جامد. در میان این گزینه‌ها، اکسید جامد (SOFC) کم‌تر توسعه‌یافته است، اما به دلیل پیشرفت‌های صورت‌گرفته در مواد سلولی و طراحی توده سلولی، مورد توجه مجدد قرار گرفته‌است.
به جای کار کردن در دمای کاری بسیار بالای ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد (۱،۴۷۲ تا ۱،۸۳۲ درجه فارنهایت)، یک نسل جدید از مواد سرامیکی، هسته را به ۵۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد (۹۳۲ تا ۱،۱۱۲ درجه فارنهایت)قابل مدیریت تبدیل کرده‌است. این امر امکان استفاده از فولاد ضد زنگ معمولی را به جای سرامیک‌های گران‌قیمت برای قطعات کمکی فراهم می‌آورد.
منبع: باتری یونیورسیتی
